二极管及其基本电路简介

1、二极管及其基本电路简介 在自然界中，存在着各种各样的物理量，其中一类物理量的变化在时间上和数值上都是连续的，称为模拟量。例如温度、压力、交流电压等是典型的模拟量。表示模拟量的信号叫做模拟信号，人们为了改造和征服自然就学要多这些模拟量进行采集、处理和反馈，我们把传送、变换、处理模拟信号的电子电路称为模拟电路，大家熟悉的各种放大电路就是典型的模拟电路。 那么这些微弱的模拟量是怎样采集、放大和处理的呢？要用到什么样的材料和处理方法呢？ 上次课简单回顾3 二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管3.2 PN结的形成及特性3.1

2、半导体的基本知识 半导体材料 半导体的共价键结构 本征半导体 杂质半导体在自然界中，根据物质导电能力的差别，可将它们划分为导体、绝缘体和半导体。如：金属如：橡胶、陶瓷、塑料和石英等等 3.1.1 半导体材料典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子和锗原子的结构SiGe+4半导体的导电性能是由其原子结构决定的。为方便起见，常表示如下： 3.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴

3、对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对词条： 本征半导体定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，此时本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4T=0K时本征半导体结构图： 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。温度升高后，比如室温下本征半导体结构图+4+4+4+4自由电子空穴温度导致的本征激发+4+4+4+4这一现象称为本征激发，也称

4、热激发。所谓本征激发，就是由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子空穴对的过程。电子空穴对+4+4+4+4电子空穴对复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子空穴对数目相等，达到一种动态平衡。+4+4+4+4电子空穴对注意：在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，故在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。E自由电子带负电荷，形成电子流两种载流子空穴视为带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴电 子 流空 穴 流本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。空穴

5、越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。自由电子带负电荷，形成电子流E两种载流子空穴视为带正电荷，形成空穴流+4+4+4+4自由电子空穴电 子 流空 穴 流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。因掺入杂质性质不同，可分为：空穴（P）型半导体

6、电子（N）型半导体【Positive】【Negative】 1. N型半导体 3.1.4 杂质半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 多数载流子（多子）自由电子； 少数载流子（少子）空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。N型半导体 多余的电子自由电子的来源：（1）本征

7、激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的） 多数载流子（多子）自由电子； 少数载流子（少子）空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。多余的电子施主原子空穴的来源：只有本征激发产生（少量的）N型半导体 2. P型半导体 3.1.4 杂质半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）

8、的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。P型半导体 空穴 多数载流子（多子）空穴； 少数载流子（少子）自由电子。空穴的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。空穴受主原子 多数载流子（多子）空穴； 少数载流子（少子）自由电子。自由电子的来源：只有本征激发产生（少量的）P型半导体 杂质半导体的示意表示方法+P型半导体N型半导体少子浓度只与温度有关多子浓度主要受掺入杂质浓度的影响负离子空穴正离子自由电子+P型半导体N型半导体负离子空穴正离子自由电子注意：半导体中的正负电荷数是

9、相等的，其作用相互抵消，因此对外保持电中性。杂质半导体的示意表示方法 3. 杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质end3.2 PN结的形成及特性 PN

10、结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应 载流子的漂移与扩散 3.2.1 载流子的漂移与扩散漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。 3.2.2 PN结的形成 3.2.2 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 对于P型半导体和N型半导体结合面

11、，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反

12、向饱和电流。 归纳： PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。关 键这就是PN结的单向导电性。 3.2.3 PN结的单向导电性 (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K） 3.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 3.2.5 PN结的电容效应(1) 扩散电

13、容CD扩散电容示意图 3.2.5 PN结的电容效应 (2) 势垒电容CBend小节：半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。 在纯半导体中掺入不同的有用杂质，可分别形成P型和N型两种杂质半导体。它们是各种半导体器件的基本材料。 PN结是各种半导体器件的基本结构，如二极管由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。 3.3 半导体二极管 半导体二极管的结构 二极管的伏安特性 二极管的主要参数3.3.1 半导体

14、二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) 点接触型二极管(a)点接触型 二极管的结构示意图 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型几种常见二极管实物图触发二极管开关二极管 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I 特性硅二极管2CP10的V-I 特性 3.3.3 二极管的主要参数(1) 最大整流电流IF(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工

15、作电压VRM(3) 反向电流IR(4) 正向压降VF(5) 极间电容CJ（CB、 CD ）end 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的KVL方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（V

16、D，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性 （b）电路模型 （3）折线模型（a）V-I特性 （b）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（4）小信号模型vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。vs =Vmsint

17、 时（VmVT 。 （a）V-I特性 （b）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图 （b）vs和vo的波形2模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k） 当VDD=10V 时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V 时，（自看）（a）简单二极管电路 （b）习惯画法 2模型分析法应用举例（3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 2模型分析法应用举例（4）开关电路电

18、路如图所示，求AO的电压值解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。end2模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD，vs wt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5 特殊二极管 齐纳二极管(稳压二极管)1.符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数VZ2. 稳压二极管主要参数3.5.1 齐纳二极管3. 稳压电路正常稳压时